趙宏劍，王 崇，張 波，王 剛

（1. 北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120；2. 中航工業(yè)沈陽飛機工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，沈陽 110034）

0 引言

由于桶形工件內(nèi)表面自動噴涂存在作業(yè)空間小、形狀不規(guī)則等特點，傳統(tǒng)的自動涂裝裝備和噴涂機器人都無法到達(dá)噴涂區(qū)域，更難以實現(xiàn)噴涂姿態(tài)控制及動作過程，人工作業(yè)即難以達(dá)到令人滿意的噴涂效果，又存在漆霧對人體的損害問題，所以，研制一款專業(yè)的涂裝裝備來完成桶形工件內(nèi)表面的自動噴涂作業(yè)，一直是亟待解決的技術(shù)難題，本文就是在這一需求的推動下開始了對桶形工件內(nèi)表面自動噴涂進(jìn)行工藝分析和噴涂裝備的研究。

1 桶形工件內(nèi)噴涂裝工藝分析

1.1 桶形工件特征描述

本文針對的桶形工件需要符合如下特征：1）工件外形為桶形；

2）有一端或兩端有開口；

3）工件內(nèi)壁噴涂區(qū)域表面平滑，沒有明顯的凸起和階梯狀過渡面；

4）截面不規(guī)則；

5）工件長度/最小內(nèi)徑≥9。

1.2 工藝原理分析

噴涂工藝分析主要圍繞噴涂姿態(tài)控制和噴涂工藝控制兩個部分。

1）噴涂姿態(tài)控制

噴涂姿態(tài)控制包括控制噴槍扇面與被噴面的通過速度（即：噴涂速度）；噴槍扇面與被噴面的夾角（即：噴涂角度）；槍嘴與被噴面的距離（即：噴涂距離）和工件移動速度四個工藝參數(shù)。

（1）噴涂速度（V）

結(jié)合桶形工件的特點，噴涂速度調(diào)節(jié)需要通過控制噴槍的旋轉(zhuǎn)速度來實現(xiàn)，速度值與噴涂距離和被噴區(qū)域的形狀有關(guān)，在噴槍的一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，噴槍的旋轉(zhuǎn)速度需要根據(jù)數(shù)據(jù)計算結(jié)果實時調(diào)整才能保證最終的噴涂速度達(dá)到設(shè)定值。

以空氣噴涂為例，噴涂速度基本在（0.4～0.6）m/s，最佳速度值與涂料特性、噴具特性、基材特性和涂層厚度要求等有關(guān)，需要通過噴涂工藝試驗來確定。通過試驗確定好的噴涂速度指標(biāo)是計算噴槍旋轉(zhuǎn)速度的依據(jù)，不同的噴涂區(qū)域可能采用不同的噴涂速度。

（2）噴涂角度

通常最佳的噴涂角度是噴涂扇面與被噴面垂直，即：噴嘴軸向與被噴面夾角為90°，噴涂角度在80°～100°之間對于噴涂質(zhì)量沒有明顯影響，噴涂角度的控制既是使噴涂角度達(dá)到或接近最佳值。

（3）噴涂距離

噴涂距離是影響噴涂質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。一種油漆和一種噴槍的匹配通常會有一個最佳的噴涂距離，需要通過工藝試驗來確定，在一個噴涂區(qū)域內(nèi)通常只有一個最佳的噴涂距離，噴涂距離控制就是使噴涂距離達(dá)到或接近最佳值。

以空氣噴涂為例，最佳噴涂距離基本在（200～300）mm之間。

（4）工件移動速度（V1）

桶形工件的工件移動速度即噴槍與工件在軸向的相對移動速度，當(dāng)工件在靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行噴涂時，工件移動速度等同于噴槍沿工件軸向的移動速度。該參數(shù)需要與其它參數(shù)進(jìn)行匹配才能保證涂層厚度均勻，對生產(chǎn)節(jié)拍有直接影響。

（5）噴涂工藝?yán)碚撚嬎?/p>

噴涂工藝?yán)碚撚嬎愎剑篤=V1×L×N /W

其中： V=噴涂速度；V1=工件移動速度；L=噴槍行程；N=噴涂變數(shù)；W=噴槍扇幅

注：桶形工件內(nèi)噴中噴槍行程等同于工件內(nèi)表面圓周長。

2）噴涂工藝控制

影響噴涂工藝的因素很多，在設(shè)備上主要控制三個參數(shù)，即：涂料流量、噴涂扇幅、霧化效果：

（1）涂料流量

涂料流量是影響噴涂工藝的關(guān)鍵因素，在涂料穩(wěn)定的前提下，涂料流量決定了系統(tǒng)的成膜能力，流量的穩(wěn)定性決定了涂層的均勻性，涂料流量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性是系統(tǒng)工藝技術(shù)水平的重要體現(xiàn)。

本系統(tǒng)采用氣動流量閥作為涂料流量控制部件，通過電氣比例閥對流量閥進(jìn)行數(shù)字化控制。

（2）噴涂扇幅

噴涂扇幅的穩(wěn)定性直接影響涂層均勻性，以空氣噴槍為例，扇幅大小是通過調(diào)整噴槍上的“扇形空氣”氣路壓力值來調(diào)節(jié)，扇幅工作范圍在200～300mm，該路氣體壓力的穩(wěn)定性決定了扇幅的穩(wěn)定性。目前，國際上對噴涂扇幅的控制基本采用開環(huán)控制的方式，通過電氣比例閥來定量控制“扇形空氣”氣路壓力值并提高壓力的穩(wěn)定性。

另外，扇幅大小與噴嘴選擇有關(guān)，噴嘴選型主要根據(jù)需要的流量、扇幅和材質(zhì)進(jìn)行選擇，噴嘴屬于耗材，超出使用壽命后會逐漸出現(xiàn)扇幅不穩(wěn)定的現(xiàn)象，因此，為了保證系統(tǒng)的工藝穩(wěn)定性，需要及時更換噴嘴。

（3）霧化效果

噴槍霧化效果是指噴具對油漆進(jìn)行霧化過程中對油漆顆粒的大小及分布控制的效果，是影響涂層質(zhì)量的最直接的因素，以空氣噴槍為例，霧化效果是通過調(diào)整噴槍上的“霧化空氣”氣路壓力值來控制的，該路氣體壓力的穩(wěn)定性決定了霧化效果的穩(wěn)定性。“霧化空氣”壓力值與噴槍結(jié)構(gòu)有關(guān)，需要通過噴涂試驗確定，霧化壓力過小會造成油漆霧化不充分，導(dǎo)致油漆漆霧顆粒過大和分布不均；霧化壓力過大會造成油漆霧化過度，導(dǎo)致油漆漆霧顆粒過小，油漆利用率降低，漆膜質(zhì)量也會下降。

目前國際上對油漆霧化效果的控制也基本上采用開環(huán)控制的方式，通過電氣比例閥來定量控制“霧化空氣”的壓力值并提高壓力的穩(wěn)定性。

2 自動噴涂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及性能研究

通過工藝分析，為了實現(xiàn)對噴涂姿態(tài)和油漆工藝的控制需要相對應(yīng)的裝備來實現(xiàn)，本系統(tǒng)由三自由度噴涂機械手和涂裝精密控制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。

2.1 三自由度噴涂機械手

1）結(jié)構(gòu)描述

機械手由一個懸臂和一個兩軸噴涂手腕構(gòu)成。懸臂的作用是深入工件內(nèi)部把噴槍送至噴涂區(qū)域，噴涂手腕的作用是調(diào)節(jié)噴槍的噴涂姿態(tài)和噴涂速度。

其中機械臂的機構(gòu)簡圖如圖1所示，機械臂上固定有兩根導(dǎo)軌和齒條，導(dǎo)軌在基礎(chǔ)平臺上的導(dǎo)向塊5上滑動，驅(qū)動電機安放在固定的基礎(chǔ)平臺上，通過齒輪齒條傳動。

圖1 懸臂結(jié)構(gòu)

自由度噴涂手腕安裝在懸臂末端，噴槍安裝在噴涂手腕上，由旋轉(zhuǎn)軸和徑向移動軸構(gòu)成。旋轉(zhuǎn)軸用于使噴槍繞工件近似軸線回轉(zhuǎn)并調(diào)整噴槍的旋轉(zhuǎn)速度，進(jìn)而調(diào)節(jié)噴涂速度；徑向移動軸用于調(diào)節(jié)噴槍的噴涂距離和姿態(tài)。

手腕的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，包括回轉(zhuǎn)驅(qū)動電機、徑向移動電機、傳動齒輪箱、回轉(zhuǎn)板、正弦機構(gòu)、噴槍架和回轉(zhuǎn)接頭組成。齒輪箱固定在懸臂前端；回轉(zhuǎn)驅(qū)動電機固定在齒輪箱上，通過齒輪箱內(nèi)部的傳動齒輪組帶動回轉(zhuǎn)板回轉(zhuǎn)；徑向驅(qū)動電機同樣固定在齒輪箱上，通過齒輪箱內(nèi)部的傳動齒輪組帶動正弦機構(gòu)的曲柄回轉(zhuǎn)；正弦機構(gòu)曲柄帶動滑塊在固定在回轉(zhuǎn)板上的導(dǎo)軌進(jìn)行直線運動；噴槍架固定在正弦機構(gòu)的滑塊上；回轉(zhuǎn)接頭的輸入端固定在機械臂上，輸出端與回轉(zhuǎn)板固連。

圖2 手腕結(jié)構(gòu)

圖3 自動噴涂設(shè)備

2）有限元和動力學(xué)分析

由于懸臂長度和懸出量超出常規(guī)應(yīng)用，必然對系統(tǒng)剛度和穩(wěn)定性造成不利的影響。為避免噴涂過程中在噴槍的反作用力下產(chǎn)生抖動，影響噴涂質(zhì)量，需進(jìn)行有限元和動力性分析。本研究采用NX Nastran進(jìn)行分析。在進(jìn)行有限元處理之前我們必須位模型賦予各種屬性和約束條件。在機械臂模型中，模型受到兩個固定約束，一個重力分布載荷、一個手腕集中載荷和一個由于手腕轉(zhuǎn)動造成的動載荷。

通過計算我們得到結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)頻率是12HZ，而動力載荷的頻率為0.14HZ。由于外載荷的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)的固有頻率，因此，動力載荷可以看作是靜力載荷來加以分析。圖5是動力載荷的周期圖。從圖中可以看出動力載荷的最大值是1.04N，由于整個機構(gòu)的重力大于2500N，所以動力載荷產(chǎn)生的影響對整個結(jié)構(gòu)來講微乎其微。

圖4 動力載荷的周期圖

有限元分析結(jié)果如圖6所示，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)，懸臂末端下垂量約為2mm，滿足噴涂要求。仿真結(jié)果與實測結(jié)果相符合。

圖5 有限元分析

3）控制系統(tǒng)

噴涂機運動控制核心部件選用安川MP2310控制器。MP2310是集成型控制器，可完成多個軸的同步伺服控制。標(biāo)配有MECHATROLINK-II和Ethernet端口，可分別實現(xiàn)與伺服控制器和上位的通訊。

系統(tǒng)利用了控制器的電子凸輪功能，以時間軸為主軸，3個電機作為從軸，實現(xiàn)離線編程生成的噴涂軌跡。

2.2 涂裝精密控制系統(tǒng)

1）系統(tǒng)構(gòu)成

涂料輸供系統(tǒng)完成對涂料從供漆罐到噴槍的輸供及控制，由涂料輸供單元、涂料清洗單元、噴具單元、氣路控制單元、流量控制單元、空氣過濾組件及連接附件構(gòu)成。

涂料輸供單元具有供料泵、攪拌器、涂料調(diào)壓器、涂料穩(wěn)壓塔、涂料過濾器等構(gòu)成；噴具采用自動空氣噴槍，具備涂料流量、霧化空氣、扇幅獨立調(diào)整功能；為了便于設(shè)備清洗，系統(tǒng)配置了1套CCV自動換色、清洗閥組，用于實現(xiàn)自動換色、清洗功能。噴槍安裝在噴涂手腕上，通過多路回轉(zhuǎn)接頭與供氣管和涂料管連接，以解決連續(xù)旋轉(zhuǎn)過程中漆氣管線不纏繞。

為了保證噴涂工藝，需要分別對噴槍的涂料流量、霧化空氣、扇幅空氣等進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用氣動流量調(diào)節(jié)閥對油漆流量進(jìn)行控制，每個氣路配有獨立的電氣比例閥，可實現(xiàn)涂料流量、霧化空氣和扇形空氣的數(shù)字化控制。

圖6 輸供漆系統(tǒng)原理圖

圖7 隔膜泵圖

圖8 空氣噴槍圖

2）涂裝精密控制系統(tǒng)原理圖如圖6所示。

3 試驗結(jié)論

通過對設(shè)備單軸機械性能、綜合控制精度和噴涂工藝控制能力進(jìn)行測試，各項性能指標(biāo)均達(dá)到或超過設(shè)計指標(biāo)，具體測試如下：

懸臂運動范圍 4700，實際使用范圍4500mm。

懸臂電機速度 10.3593mm/s。

圖9 回轉(zhuǎn)電機最大速度 74.5879°/s

圖10 徑向電機最大速度 485.6869°/s

圖11 噴槍伸縮范圍 90-260mm

圖12 徑向伸縮速度 215.6512°/s--225.7165°/s

經(jīng)過大量的油漆工藝試驗，試片和模擬件的噴涂效果達(dá)到了工藝要求，通過綜合測試分析，系統(tǒng)整體性能達(dá)到了設(shè)計要求，能夠滿足生產(chǎn)需求。

4 結(jié)束語

本文論述的桶形內(nèi)噴工藝和自動噴涂裝備都已得到試驗驗證并投入到實際應(yīng)用當(dāng)中，該工藝和裝備的應(yīng)用為用戶節(jié)約了油漆，提升了噴涂質(zhì)量，提高質(zhì)量穩(wěn)定性，還把人員從復(fù)雜、艱難的作業(yè)環(huán)境中解放出來，對推動我國自動涂裝裝備的技術(shù)創(chuàng)新起到積極地推動作用，該項技術(shù)已經(jīng)申報國家實用新型專利2項。

[1] 王錫春. 汽車涂裝工藝技術(shù)[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社, 2005.

[2] 劉會成. 涂裝工藝及設(shè)備[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社, 2012.